超声波传感器测距技术报告

目录第一章基本原理超声波基本原理……2工作原理……………2第二章硬件设计控制部分……………2显示部分……………3超声波发射和接收部分……………3单片机控制部分和超声波模块的组合连接………3硬件实物连接图……4第三章软件设计主程序框架图………4子程序部分…………53.2.1延时子程序…………………5外部中断子程序……………53・2・3超声波发射、测量、计算子程序 53.2.4数据处理子程序……………63・2・5显示子程序…………………63・2・6定时器初始化………………6第四章组装调试…………7第五章总结与提高………8第一章基本原理1.1超声波基本原理超声波是指频率为20KHZ以上的机械波，借助空气媒介++99----++-/++传波，由单片机测量声波发射到返回的时间间隔T,然后通过公式S=C*T/2（C为当前温度下的声速）计算出距离并且显示在数码管上。超声波传波时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，不受光线、电磁波、粉尘等的影响，其精度能达到厘米数量级的工程测距精度等的优点。因而我们采用单片机控制的超声波测距。1.2系统工作原理在该系统中，采用AT89S52的P3.6产生10us以上的高电平信号触发超声波模块工作，信号产生后，延时一段时间（避免直射波的干扰）单片机打开定时器。超声波模块自动由驱动探头发射8个40KHZ的方波脉冲并自动检测有无信号返回，再由单片机P3.7口检测超声波模块输出端是否输出高电平以及高电平的持续时间T就是超声波发射到返回时间间隔。第二章硬件设计该系统中，我们采用单片机学习板集成控制部分和显示部分，采用URF04型号超声波模块作为超声发射和接收部分：2.1控制部分AT89S52单片机作为主控制器通过程序控制超声波的发射和接收，采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用P3.6口输出超声波换能器所需的40K方波信号，利用P3.7口监测超声波接收电路输出的返回信号,原理框架图：2.2显示部分采用单片机学习板上的共阴数码管作为显示器直接显示障碍物的距离。数码管段选采用74HC245驱动，位选采用74HC138驱动，共用三个数码管显示三位数据，分别为百位、十位和个位，单位为毫米显示。超声波发射和接收部分我们采用的是超声波传感器模块，该模块集成了超声波发射电路、信号放大与整合电路、超声波接收检测电路和URF04型号的超声波发射、接收探头。采用该模块简单实用，原理简单易懂，安全可靠，在实际测量中性能比较优越。单片机控制部分和超声波模块的组合连接超声波模块共为五个引脚，（1） VCC为接五伏的电源引脚，原来我们所用的单片机学习板上没有外接的VCC和GND脚，因此我们在单片机板边缘的VCC和GND外接焊盘处焊接了两个引脚，通过导线连接在了超声波模块的VCC引脚；（2） GND为超声波模块接地端，通过导线接在单片机的接地端；（3） Trig为超声波发射引脚，通过导线连接单片机的P3.6,单片机由程序产生的40KHZ的方波脉冲信号就加在该引脚上，发送给模块内部的整合和发射电路，然后送到超声波发射探头。（4） Echo为超声波接收引脚，连接单片机的P3.7口。超声波接收探头将接收到的回波信号传到模块内部的超声波接收电路进行处理，最后将信号加在P3.7口，此时P3.7口变为低电平，单片机检测到P3.7变为低电平时立刻停止计时；（5） OUT脚在该系统中不用，悬空。硬件实物连接图第三章软件设计3.1主程序框架图3.2子程序部分子程序主要由外部中断子程序、延时子程序、超声波发射、测量、计算子程序、数据处理子程序、显示子程序、定时器初始化子程序组成。延时子程序系统要求单片机产生10us以上的高电平信号，因此在程序应该用到延时子程序，并且延时时间设置为10us,程序中用while()语句实现延时功能，因为单片机所用晶振频率为12MHZ,所以一个机器周期为1us，因此while()所需参数t应该为10.delay(unsignedintt){while(t--);}外部中断子程序在该子程序中只需首先调用超声波发射、测量、计算子程序，然后再调用数据处理子程序即可。超声波发射、测量、计算子程序单片机P3.6口产生10us以上的高电平信号，P3.7等待接收返回信号。在该子程序中完成超声波的发射、接收以及时间的计算功能。voidmeasure(void){trig=1;delay(10);trig=0;TR0=1;while(echo==0);TH0=0;TL0=0;while(echo==1);time=TH0*256+TL0+2;sss=time*17/100;//sss为三位数，单位为毫米}数据处理子程序将计算出来的距离进行处理以便显示在数码管上，得出距离为三位数，将百位、十位、个位分开分别显示在三个数码管上：voiddeal_data(void){led_temp[2]=table[sss/100];led_temp[1]=table[sss%100/10];led_temp[0]=table[sss%10];}显示子程序采用单片机学习板上的三个7位共阴数码管进行显示，数码管位选采用74HC138驱动，而74HC138每次只能选中一个数码管，因此，如果要同时选中三个可以利用循环来同时选中三个数码管形成动态显示。voiddisplay(void){P1=0xf8;P2=led_temp[2];delay(30);P2=0;P1=0xf9;P2=led_temp[1];delay(30);P2=0;P1=0xfa;P2=led_temp[0];delay(30);P2=0;}定时器初始化设置定时器工作模式和计数方式，打开总中断，设置定时器。voidtimer_init(void){TMOD=0x11;EA=1;ET0=0;ET1=1;TR1=1;TR0=0;}第四章组装调试最后，进行组装和程序调试。该单片机开发板采用USB5V电压供电、并口下载。首先将超声波模块和单片机学习板连接好以后，在Keil软件环境下写好程序，打开单片机学习板电源，通过并口下载软件将程序写进单片机，将超声波探头对着障碍物，此时，在数码管上就会显示出障碍物的距离。经过我们反复试验和多次的调试，最后发现，该系统的最小测量距离为2厘米(测距盲区)，由于受到超声波模块功率的限制，最大测量距离为70毫米，精度为5毫米左右。应该说，已经达到了我们的要求和目的。系统组装完毕后，如下图所示。最左侧为超声波模块，右侧为控制部分——单片机学习板，当给单片机供电后，电源指示灯变亮(图中的红灯)，在测距范围内，用超声波探头测量障碍物的距离会显示在数码管上，在本系统中单片机学习板上总共有8个数码管，我们只采用了最低位的3个用来显示，从上到下一次为百位、十位、个位，如图所示为，超声波探头到障碍物的距离为298毫米，我们通过标尺测量得出距离为302毫米，

误差仅为4毫米。因此，在精度要求不高的场合下，我们的系统完全可以适用。目前为止，该系统仍然有许多可以优化和提高的地方，例如，由于超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，如表1所示。已知超声波速度与温度的关系如下：式中：r—气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，R—气体普适常量，8.314kg・mol—1・K—1,M—气体分子量，空气为28.8X10-3kg・mol-l,T—绝对温度，273K+T°C。近似公式为：C=C0+0.607XT°C式中：CO为零度时的声波速度332m/s；T为实际温度（°C）。对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0C时超声波速